3二極管及其基本電路ppt課件

1、3.1 半導體的根本知識半導體的根本知識 3.1.1 半導體資料 3.1.2 半導體的共價鍵構造 3.1.3 本征半導體 3.1.4 雜質半導體 3.1.1 半導體資料半導體資料 根據(jù)物體導電才干根據(jù)物體導電才干( (電阻率電阻率) )的不同，來的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。劃分導體、絕緣體和半導體。 典型的半導體有硅典型的半導體有硅SiSi和鍺和鍺GeGe以及砷化鎵以及砷化鎵GaAsGaAs等。等。 3.1.2 半導體的共價鍵構造半導體的共價鍵構造硅和鍺的原子構造簡化模型及晶體構造硅和鍺的原子構造簡化模型及晶體構造 3.1.3 本征半導體本征半導體本征半導體本征半導體化學成分純真的半導

2、體。它在物理構化學成分純真的半導體。它在物理構造上呈單晶體形狀。造上呈單晶體形狀?？昭昭ü矁r鍵中的空位。共價鍵中的空位。電子空穴對電子空穴對由熱激由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自在電子和發(fā)而產(chǎn)生的自在電子和空穴對?？昭▽??？昭ǖ呐矂涌昭ǖ呐矂涌昭ǖ目昭ǖ倪\動是靠相鄰共價鍵中運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。來實現(xiàn)的。由于隨機熱振動致使共價鍵被突破而產(chǎn)生空由于隨機熱振動致使共價鍵被突破而產(chǎn)生空穴電子對穴電子對 3.1.4 雜質半導體雜質半導體 在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質

3、主要是三價或五價元素。體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。 N N型半導體型半導體摻入五價雜質元素如磷的半摻入五價雜質元素如磷的半導體。導體。 P P型半導體型半導體摻入三價雜質元素如硼的半摻入三價雜質元素如硼的半導體。導體。1. N1. N型半導體型半導體 3.1.4 雜質半導體雜質半導體 因五價雜質原子中因五價雜質原子中只需四個價電子能與周只需四個價電子能與周圍四個半導體原子中的圍四個半導體原子中的價電子構成共價鍵，而價電子構成共價鍵，而多余的一個價電子因無多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易構共

4、價鍵束縛而很容易構成自在電子。成自在電子。 在在N N型半導體中自在電子是多數(shù)載流子，它主要由型半導體中自在電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質原子提供；空穴是少數(shù)載流子雜質原子提供；空穴是少數(shù)載流子, , 由熱激發(fā)構成。由熱激發(fā)構成。 提供自在電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正提供自在電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。 2. P 2. P型半導體型半導體 3.1.4 雜質半導體雜質半導體 因三價雜質原因三價雜質原子在與硅原子構成子在與硅原子構成共價鍵時，短少一共價鍵時，短少一個價電子而在共價個價電子而在共價鍵中留下一個

5、空穴。鍵中留下一個空穴。 在在P P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜型半導體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜構成；自在電子是少數(shù)載流子，構成；自在電子是少數(shù)載流子， 由熱激發(fā)構成。由熱激發(fā)構成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子?？昭ê苋菀追@電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質三價雜質 因此也稱為受主雜質。因此也稱為受主雜質。 3. 雜質對半導體導電性的影響雜質對半導體導電性的影響 3.1.4 雜質半導體雜質半導體 摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下一些典型的數(shù)據(jù)如下: : T=300 K室溫下室溫下,本征硅

6、的電子和空穴濃度本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子濃度本征硅的原子濃度: 4.961022/cm3 3以上三個濃度根本上依次相差以上三個濃度根本上依次相差106/cm3 。 2摻雜后摻雜后 N 型半導體中的自在電子濃度型半導體中的自在電子濃度: n=51016/cm3 本征半導體、雜質半導體本征半導體、雜質半導體 本節(jié)中的有關概念本節(jié)中的有關概念 自在電子、空穴自在電子、空穴 N N型半導體、型半導體、P P型半導體型半導體 多數(shù)載流子、少數(shù)載流子多數(shù)載流子、少數(shù)載流子 施主雜質、受主雜質施主雜質、受主雜質3.2 PN結的構成及特性結的構成及特性 3

7、.2.2 PN結的構成 3.2.3 PN結的單導游電性 3.2.4 PN結的反向擊穿 3.2.5 PN結的電容效應 3.2.1 載流子的漂移與分散重慶工學院 3.2.1 載流子的漂移與分散載流子的漂移與分散漂移運動：漂移運動： 在電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。在電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。分散運動：分散運動： 由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為分散由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為分散運動。運動。 3.2.2 PN結的構成結的構成 3.2.2 PN結的構成結的構成 在一塊本征半導體兩側經(jīng)過分散不同的雜質在一塊本征半導體兩側經(jīng)過分散不同的雜質, ,分別分別構成構成N N

8、型半導體和型半導體和P P型半導體。此時將在型半導體。此時將在N N型半導體和型半導體和P P型半導體的結合面上構成如下物理過程型半導體的結合面上構成如下物理過程: :因濃度差因濃度差 空間電荷區(qū)構成內電場空間電荷區(qū)構成內電場 內電場促使少子漂移內電場促使少子漂移 內電場阻止多子分散內電場阻止多子分散 最后最后, ,多子的分散和少子的漂移到達動態(tài)平衡。多子的分散和少子的漂移到達動態(tài)平衡。多子的分散運動多子的分散運動 由雜質離子構成空間電荷區(qū)由雜質離子構成空間電荷區(qū) 對于對于P P型半導體和型半導體和N N型半導體結合面，離型半導體結合面，離子薄層構成的空間電荷區(qū)稱為子薄層構成的空間電荷區(qū)稱為P

9、NPN結。結。 在空間電荷區(qū)，由于短少多子，所以也在空間電荷區(qū)，由于短少多子，所以也稱耗盡層。稱耗盡層。 3.2.3 PN結的單導游電性結的單導游電性 當外加電壓使當外加電壓使PNPN結中結中P P區(qū)的電位高于區(qū)的電位高于N N區(qū)的電位，稱為加正區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。 (1) PN (1) PN結加正向電壓時結加正向電壓時 低電阻低電阻 大的正向分散電流大的正向分散電流 3.2.3 PN結的單導游電性結的單導游電性 當外加電壓使當外加電壓使PNPN結中結中P P區(qū)的電位高于區(qū)的電位高于N N區(qū)的電位，稱

10、為加正向區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。 (2) PN(2) PN結加反向電壓時結加反向電壓時 高電阻高電阻 很小的反向漂移電流很小的反向漂移電流 在一定的溫度條件下，由本征激在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決議的少子濃度是一定的，故少子發(fā)決議的少子濃度是一定的，故少子構成的漂移電流是恒定的，根本上與構成的漂移電流是恒定的，根本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。也稱為反向飽和電流。 PN PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有

11、較大的正向分散電流；向分散電流； PNPN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。漂移電流。 由此可以得出結論：由此可以得出結論：PNPN結具有單導游電性。結具有單導游電性。 3.2.3 PN結的單導游電性結的單導游電性 (3) PN (3) PN結結V-I V-I 特性表達式：特性表達式：其中其中: :PNPN結的伏安特性結的伏安特性)1e (/SDD TVIivIS IS 反向飽和電反向飽和電流流VT VT 溫度的電壓當溫度的電壓當量量且在常溫下且在常溫下(T=300K(T=300K: :V026. 0 qkTVTmV 26 3.2.4

12、 PN結的反向擊穿結的反向擊穿 當當PNPN結的反向電壓添加結的反向電壓添加到一定數(shù)值時，反向電流忽然到一定數(shù)值時，反向電流忽然快速添加，此景象稱為快速添加，此景象稱為PNPN結的結的反向擊穿。反向擊穿。熱擊穿熱擊穿不可逆不可逆 雪崩擊穿雪崩擊穿 齊納擊穿齊納擊穿 電擊穿電擊穿可逆可逆 3.2.5 PN結的電容效應結的電容效應(1) (1) 分散電容分散電容CDCD分散電容表示圖分散電容表示圖 3.2.5 PN結的電容效應結的電容效應 (2) (2) 勢壘電容勢壘電容CBCB3 . 3 半導體二極管半導體二極管 3.3.1 半導體二極管的構造 3.3.2 二極管的伏安特性 3.3.3 二極管的

13、主要參數(shù)3.3.1 半導體二極管的構造半導體二極管的構造 在在PNPN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按構造分有點接觸型、面接觸型兩大類。二極管按構造分有點接觸型、面接觸型兩大類。(1) (1) 點接觸型二極管點接觸型二極管點接觸型二極管構造表示圖點接觸型二極管構造表示圖 PN PN結面積小，結結面積小，結電容小，用于檢波和電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。變頻等高頻電路。a面接觸型面接觸型 b集成電路中的平面型集成電路中的平面型 c代表符號代表符號 (2) (2) 面接觸型二極管面接觸型二極管 PN PN結面積大，用于結面積大，用于工頻大電流

14、整流電路。工頻大電流整流電路。(b)(b)面接觸型面接觸型 3.3.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示二極管的伏安特性曲線可用下式表示)1e (/SDD TVIiv鍺二極管鍺二極管2AP152AP15的的V-I V-I 特性特性硅二極管硅二極管2CP102CP10的的V-I V-I 特性特性 3.3.3 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)(1) (1) 最大整流電流最大整流電流IFIF(2) (2) 反向擊穿電壓反向擊穿電壓VBRVBR和最大反向任務電壓和最大反向任務電壓VRMVRM(3) (3) 反向電流反向電流IRIR(4) (4) 正向壓降正向壓降VFVF

15、(5) (5) 極間電容極間電容CdCdCBCB、 CD CD 二極管長期延續(xù)任務時，允許經(jīng)過二極管長期延續(xù)任務時，允許經(jīng)過的最大正向整流電流的平均值。的最大正向整流電流的平均值。 二極管二極管反向電流急劇添加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓反向電流急劇添加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBRVBR。為。為平安計，在實踐任務時，最大反向任務電壓平安計，在實踐任務時，最大反向任務電壓VRMVRM普通只按反向擊穿普通只按反向擊穿電壓電壓VBRVBR的一半計算。的一半計算。 在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，普通是最大反向任務電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流普通在納安(nA)級；鍺二極管在微

16、安(A)級。 在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流程度下，約0.60.8V；鍺二極管約0.20.3V。 是反映二極管中是反映二極管中PNPN結電結電容效應的參數(shù)，容效應的參數(shù)，Cd=CB+CDCd=CB+CD。在高頻或開關形狀運用時，。在高頻或開關形狀運用時，必需思索級間電容的影響。必需思索級間電容的影響。(6) (6) 反向恢復時間反向恢復時間TRRTRR 由于由于PNPN結電容的存在，當二結電容的存在，當二極管外加電壓極性翻轉時，其原任務形狀不能在瞬間完極管外加電壓極性翻轉時，其原任務形狀不能在瞬間完全隨之變化。全隨之變化。3.4 二極管根本電路及其分

17、析方法二極管根本電路及其分析方法 3.4.1 簡單二極管電路的圖解分析方法 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法3.4.1 簡單二極管電路的圖解分析方法簡單二極管電路的圖解分析方法 二極管是一種非線性器件，因此其電路普二極管是一種非線性器件，因此其電路普通要采用非線性電路的分析方法，相對來說比通要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復雜，而圖解分析法那么較簡單，但前提條較復雜，而圖解分析法那么較簡單，但前提條件是知二極管的件是知二極管的V -I V -I 特性曲線。特性曲線。例例3.4.1 電路如下圖，知二極管的電路如下圖，知二極管的V-I特性曲線、電源特性曲線、電源VDD和電阻和電阻R

18、，求二極管兩端電壓，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流和流過二極管的電流iD 。 解：由電路的解：由電路的KVLKVL方程，可得方程，可得 RViDDDDv DDDD11VRRi v即即 是一條斜率為是一條斜率為-1/R的直線，稱為負載線的直線，稱為負載線 Q的坐標值的坐標值VD，ID即為所求。即為所求。Q點稱為電路的任務點點稱為電路的任務點 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法二極管電路的簡化模型分析方法1.1.二極管二極管V-I V-I 特性的建模特性的建模 將指數(shù)模型將指數(shù)模型 分段線性化，得到二極分段線性化，得到二極管特性的等效模型。管特性的等效模型。)1e (DSD TVIi

19、v1 1理想模型理想模型 a aV-IV-I特性特性 b b代表符號代表符號 c c正向偏置時的電路模型正向偏置時的電路模型 d d反向偏置時的電路模型反向偏置時的電路模型 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法二極管電路的簡化模型分析方法1.1.二極管二極管V-I V-I 特性的建模特性的建模2 2恒壓降模型恒壓降模型aV-I特性特性 b電路模型電路模型 3 3折線模型折線模型aV-I特性特性 b電路模型電路模型 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法二極管電路的簡化模型分析方法1.1.二極管二極管V-I V-I 特性的建模特性的建模4 4小信號模型小信號模型vs =0 時時, Q點稱為

20、靜態(tài)任務點點稱為靜態(tài)任務點 ，反映直流時的任務形狀。，反映直流時的任務形狀。)(11sDDDDvv VRRivs =Vmsin t 時時VmVT 。 aV-I特性特性 b電路模型電路模型 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法二極管電路的簡化模型分析方法2 2模型分析法運用舉例模型分析法運用舉例1 1整流電路整流電路a電路圖電路圖 bvs和和vo的波形的波形2 2模型分析法運用舉例模型分析法運用舉例2 2靜態(tài)任務情況分析靜態(tài)任務情況分析V, 0DVmA 1/DDD RVI理想模型理想模型R=10k 當當VDD=10V 時，時，mA 93. 0/ )(DDDD RVVI恒壓模型恒壓模型V 7

21、. 0D V硅二極管典型值硅二極管典型值折線模型折線模型V 5 . 0th V硅二極管典型值硅二極管典型值mA 931. 0DthDDD rRVVI k 2 . 0Dr設設V 69. 0DDthD rIVV當當VDD=1V 時，時，自學自學a簡單二極管電路簡單二極管電路 b習慣畫法習慣畫法 2 2模型分析法運用舉例模型分析法運用舉例3 3限幅電路限幅電路 電路如圖，電路如圖，R = 1k，VREF = 3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當和恒壓降模型求解，當vI = 6sin t V時，繪出相應的輸出電壓時，繪出相應的輸出電壓vO的波形。

22、的波形。 2 2模型分析法運用舉例模型分析法運用舉例4 4開關電路開關電路電路如下圖，求電路如下圖，求AO的電壓值的電壓值解：先斷開解：先斷開D，以，以O為基準電位，為基準電位， 即即O點為點為0V。 那么接那么接D陽極的電位為陽極的電位為-6V，接，接陰極的電位為陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，陽極電位高于陰極電位，D接入時正導游通。接入時正導游通。 導通后，導通后，D的壓降等于零，即的壓降等于零，即A點的電位就是點的電位就是D陽極的電位。陽極的電位。所以，所以，AO的電壓值為的電壓值為-6V。2 2模型分析法運用舉例模型分析法運用舉例6 6小信號任務情況分析小信號任務情況分析圖示電路中，圖示電路中，VDD = 5V，R = 5k，恒壓降模型的，恒壓降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sinwt V。1求輸出電壓求輸出電壓vO的交流量和總量；的交流量和總量；2繪出繪出vO的波形。的波形。 直流通路、交流通路、靜態(tài)、動態(tài)直流通路、交流通路、靜態(tài)、動態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。